新聞主題	高壓柴油發電機組保護系統功能介紹

 

摘要：高壓柴發與低電壓發電機組在保護系統上主要差別是高壓機組通常把差動保護和接地保護作為必須的保護裝置。由于高壓柴油發電機組的電壓高，對繞組的絕緣要求更高，當定子繞組發生三相或兩相短路時，將引起很大的短路電流，造成繞組過熱，故障點產生的電弧使繞組絕緣損壞，甚至會導致發電機起火，這是發電機內部最嚴重的故障。因此，對高壓發電機繞組相間短路進行保護是十分必要的。此外，發電機絕緣保護和逆功率保護裝置也是高壓發電機組常配置的功能，了解這些保護功能的內容有助于日后設備的使用和維護。

 

一、發電機絕緣保護系統

 

      發電機絕緣電阻是指在一定的溫度和濕度條件下，發電機繞組與繞組、繞組與地之間的電阻值。絕緣電阻是發電機正常運行的基本保障，可以防止發電機內部短路、漏電等故障。我國對于高壓發電機絕緣電阻有明確的標準，主要包括熱態絕緣電阻和冷態絕緣電阻。

      柴油發電機的發電電樞一般由導電銅線，導磁的硅鋼鐵芯以及絕緣系統組成，其中發電機定子絕緣裝置為例，所處位置如圖1所示。絕緣系統作為柴油發電機中最脆弱的部分，其運行可靠性決定了柴油發電機運行的安全性與穩定性。而對于停運后或是不經常運行的柴油發電機，按相關規程規定，在柴油發電機運行前，要確保柴油發電機的絕緣良好，所以傳統的人工手動搖絕緣變得不可或缺。為保證柴油發電機啟動前的絕緣電阻不低于相關標（1MΩ/KV），而備用柴油發電機主要絕緣性能下降是由受潮而引發，因此備用柴油發電機會不間斷持續加熱保證柴油發電機不因為受潮而絕緣性能下降，有的工況要求在發電機啟機前拆除動力電纜，并用搖表對柴油發電機進行手搖絕緣判斷電動機對地電阻是否合格，如絕緣電阻低則再啟動加熱器等方式處理，耗費大量人力，時間及資源且存在安全隱患。

      為改善上述問題，可對高壓柴油發電機加裝絕緣監測裝置，該裝置應能在柴油發電機停運狀態下自動檢測其繞組整體絕緣水平，并在絕緣不良時觸發閉鎖或遠程報警信號，控制加熱器加熱而無需加熱器持續不斷對柴油發電機加熱，節省了電能，也避免運行人員將存在絕緣缺陷的電動機投入運行；并且集成接入現有在運監控系統，以實現就地、遠程自動監測柴油發電機的絕緣狀況。

      發電機絕緣監測儀系統接線如圖2，其工作原理是當發電機備用時，斷路器輔助觸頭信號（或其他開關信號）反饋給PLC，PLC控制發電機中性點接地電阻回路斷路器斷開，同時絕緣監測儀主機自動在發電機繞組和地之間施加電流限定、電壓恒定的直流測試電壓（2500Vdc）測試電動機絕緣狀態，PLC同時控制高壓轉換模塊切換被測發電機，當絕緣監測儀監測到電機繞組對地絕緣電阻低于設定值后輸出干節點報警信號。當備用發電機啟動時，YNY-10H絕緣監測儀退出絕緣監測模式同時接地電阻投入線路。

 

圖1  發電機定子絕緣裝置示意圖

圖2  發電機繞組絕緣保護監測系統

 

二、發電機組差動保護

 

      發電機組差動保護的構成原理是根據比較被保護發電機定子繞組兩端電流的相位和大小的原理而構成的，如圖3所示。為此，在發電機中性點側與靠近發電機出口斷路器各處安裝一組型號、變比相同的電流互感器，其二次側按環流法連接如圖2所示。如同線路的差動保護一樣，在正常運行及外部故障時，流入繼電器的電流I_K＝I_unb，若繼電器的動作電流I_act.k＞I_unb.max，則保護不動作；而在內部（兩側電流互感器之間的定子繞組及其引出線）故障時，I_K＝I_sc/K_i；，若I_K＞I_act.k，則保護動作。可見，差動保護并不反應外部故障，不需要與相鄰元件保護進行時限配合，可以瞬時跳閘。

      為了使發電機組差動保護在外部故障時不動作，其動作電流應大于發電機外部故障時的最大不平衡電流，這勢必降低保護在內部故障時的靈敏性。因此，必須采取措施消除或減小不平衡電流的影響。目前，除采用D級鐵心（差動保護專用）電流互感器構成縱差動保護外，對于容量不大的發電機，一般是采用具有中間速飽和變流器的BCH（DCD）型差動繼電器。

1、帶斷線監視的發電機組差動保護

      帶斷線監視的發電機組差動保護采用三相式接線，為BCH-2型差動繼電器。

      在正常情況下，電流互感器二次回路斷線時保護不應誤動作。為此，保護的動作電流應大于發電機的額定電流，即

I_act=K_rel I_rat.g

      式中，K_rel ——可靠系數，取1.3；I_rat.g  ——發電機的額定電流。

2、高靈敏性的發電機組差動保護

      對于采用BCH-2型差動繼電器構成的發電機組差動保護，只要在接線上做一些改進，就可以既降低發電機縱差動保護的動作電流，使其小于發電機的額定電流，又保證二次回路斷線時保護不致誤動作。其保護的動作電流：

I_act.k=0.55I_rat.g.2

      式中，I_rat.g.2 ——發電機額定負載下電流互感器的二次電流。

      高靈敏性差動保護的動作電流小于發電機額定電流，但在電流互感器二次回路斷線時，保護又不會誤動作。對照以上兩式可知，動作電流大約減小了一半，故內部故障時保護的靈敏性大大提高，死區也減小了。

3、比率制動式發電機組差動保護

      目前，普遍采用性能更好的比率制動式差動保護，其保護范圍如圖4所示。該保護的動作電流只需躲過發電機最大負載情況下的不平衡電流，可減小為0.2Iatg2，而在外部故障時利用穿越性短路電流進行制動，能夠可靠地躲過外部故障時的不平衡電流的影響。

 

圖3  柴油發電機組差動保護的構成原理

圖4  比率制動式發電機差動保護范圍

 

 

三、發電機組的接地保護

 

1、接地方式

      在發電機組系統發生接地故障時，由于電容電流超前電壓90°，當故障點的電容電流在第一個半波過零熄弧時，加在故障點上的電壓正好為峰值，若電容電流過大，空氣游離嚴重，極易把故障點重新擊穿。這種重燃有時不可避免。但多次重燃將會導致電網電壓振蕩，發生間歇性弧光過電壓。這種過電壓時間長、幅值高、能量大、缺乏有效手段加以防護。避雷器在這種過電壓的長時間作用下，會加速老化，甚至損壞。因此，首先應采取措施避免這種過電壓的發生。

（1）發電機中性點采用消弧線圈接地方式的目的，是給故障點注入感性電流，抵消部分電容電流（欠補償）或大于電容電流（過補償），把接地故障電流降低到危險數值以下，維持運行2h。發電機經消弧線圈接地方式包括可調電感接地、固定電感接地兩種方法。

（2）發電機中性點采用電阻接地方式的目的是給故障點注入阻性電流，使接地故障電流呈阻容性質，減小與電壓的相位差角，降低故障點電流過零熄弧后的重燃率。當阻性電流足夠大時，重燃不再發生。并且，阻性電流大于容性電流尚可提高零序保護靈敏度，作用于跳閘。電阻接地方式包括直接經電阻接地、經單相或三相配電變壓器（其低壓側接電阻）接地。其中，柴油發電機組接地所在位置如圖5所示，單相定子經變壓器接地方式如圖6所示。

2、過電壓最大值

     發電機不同接地方式下發生單相間歇性電弧接地故障時，最大過電壓一般不超過下列數值：

（1）不接地3.5P．U（P．U＝實際值/基準值）；

（2）消弧線圈接地3.2～3.5P．U；

（3）電阻接地2.5P．U。

      由于發生單相間歇性電弧接地故障時，電阻接地的最大過電壓最小，所以，在電氣設備的絕緣水平較低或較弱的場合，如發電機等旋轉電機，其耐壓水平較弱，保護內過電壓，避雷器不能可靠保護，宜采用單相接地故障瞬時跳閘的電阻接地方式。但對于單相接地故障點的電容電流不超過10A的架空和電纜網絡采用不接地方式。

3、電阻接地方式與阻值范圍

（1）高電阻：＞500Ω，接地故障電流＜10～15A；

（2）中電阻：10～500Ω，15A＜接地故障電流＜600A；

（3）低電阻：＜10Ω，接地故障電流＞600A。

4、電阻接地要求

（1）高電阻接地

      高電阻接地一般用于單相接地故障要求瞬時停機為125MW及以上的發電機回路。高阻接地的目的主要是發電機定子繞組在單相接地故障時，避免產生間歇性弧光接地過電壓，同時還要盡量降低接地故障電流對鐵心的灼傷程度。

（2）中電阻接地

      中電阻接地主要用于以電纜為主構成的電網。電纜外絕緣為固體，線芯部與大氣直接接觸，發生單相接地故障的幾率大大降低，而且一旦故障，絕緣性能又不能自行恢復，應當快速切除故障。故障切除之前，要求不能發生間歇性弧光過電壓。其條件是故障點的阻性電流不得小于電網容性電流，這一技術條件便是選擇電阻阻值的主要根據。在此前提下，希望阻值不要太大，以保證繼電保護的靈敏度；又希望阻值不要太小，避免接地故障電流過大，出現一些低值接地方式存在的問題。

（3）低阻接地

      低阻接地僅用于接有大量高壓電動機的電網，因為單相接地電流太大，會帶來易旁路、危及人身和設備安全、引起發電機組差動保護的誤動作等不良影響。因此，低阻接地方式應限制使用。

5、接地電阻的選用方法

      接地電阻器的選用應根據電網的電容電流來考慮，應包括有電氣連接的所有架空線路、電纜線路、發電機、變壓器以及母線和電器的電容電流，并考慮電網5～10年的發展。架空線路的電容電流可按下式估算：

I_c=(2.7~3.3)U_eL×10^-3

式中，L——線路的長度（km）；

I_c——架空線路的電容電流（A）；

2.7——系數，適用于無架空地線的線路；

3.3——系數，適用于有架空地線的線路；

      同桿雙回線路的電容電流為單回路的1.3～1.6倍。電纜線路的電容電流可按下式進行計算

I_c=0.1U_eL

      架空線和電纜線路的電容電流也可通過直接查表獲得。并可通過乘以1.25即可為全系統的近似值，或通過各部分分別進行計算累加。

      綜上所述，各柴油發電機公司對中壓柴油發電機中性點接地電阻選型不一樣，控制方式也不同，國家對此也沒有統一規定，國內基本都是采用中阻接地。多臺柴油發電機組并機＋多臺接觸器＋合用1個電阻接地方案，也有多臺柴油發電機組并機＋多臺接觸器＋多個電阻接地方案，前者造價低、占地小，但控制邏輯復雜，后者反之。在選型時主要針對項目進行選型。

 

圖5  柴油發電機組設備接地連接位置

圖6  發電機定子接地保護裝置電路圖

 

四、發電機逆功率保護裝置

 

      高壓柴油發電機組功率范圍通常為1600～2200kW已廣泛應用于數據中心和半導體工廠中，且大多數都多機或并網運行。當柴油機一發電機組與電力系統連接時，如果某一臺柴油機出力突然下降，可使機組由發電機運行狀態轉入電動機運行狀態。為了防止發電機組連接軸等部件的損壞及柴油機中未燃盡的燃油爆炸和著火，通常在柴油發電機組上使用逆功率繼電器組成的逆功率保護，應當注意的是僅在柴油發電機多臺并聯運行時逆功率才會產生。

1、逆功率保護原理

      逆功率保護根據所要求的靈敏度采用不同類型的繼電器。對于柴油機來說，當柴油機沒有功率輸入而以同步速度旋轉時，使發電機作電動機運行所需要逆功率數值，在沒有汽缸著火，約需額定功率的25%。如果一個或幾個汽缸不能著火，空載時逆功率將有少許增量，其值取決于調速器的作用和對系統頻率的影啊。對汽輪機約需額定功率的3%左右.這樣，汽輪機的逆功率保護裝置靈敏度就要比柴油機的高。

2、繼電器的檢驗和調整

      逆功率繼電器是利用感應原理而工作的。動作電流倍數與動作時限呈反時限特性。改變功率整定值是通過改變電流線圈匝數來達到的。由于電流線圈接至電流互感器，為了防止電流互感器次級繞組開路，在轉換負荷時必須首先根據所要求的動作功率把備用插銷旋入插孔，然后旋出原插銷。繼電器的延時整定值是通過改變繼電器動觸頭止擋塊來實現的。

（1）一般性檢驗；與其它繼電器相同。

（2）動作功率檢驗：接通電源，調整移相器及調壓器，使繼電器接入額定電壓及電流超前電壓相角30*,改變接至電流線圈匝數使動作功率符合規定。

（3）延時時間檢驗，調整調壓器及移相器使繼電器接入額定電壓，在1.2倍動作電流及電流超前于電壓30·相角使動作時間符合規定值。

（4）返回系數：動作時間整定在2～5秒時，要求返回到初始位置的轉動系統返回功率與動作功率之比不小于0.6。

 

總結：

      高壓發電機組保護裝置的原理是基于測量電氣參數的變化情況，與預設的設定值進行比較，判斷發電機的工作狀態是否正常，以便選擇正確的動作方式進行保護。-它能夠監測發電機的電流、電壓、頻率、相序等參數，一旦發現異常情況或故障，就會及時切斷發電機的電力輸出或進行報警，以避免進一步的風險和損失。

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